[论文解读] Emergent interaction-driven elliptic flow of few fermionic atoms

Sandra Brandstetter, Philipp Lunt+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2023

High-Energy Particle Collisions Research被引用 5

一句话总结

本研究在仅包含十个强相互作用原子的少费米子体系中，展示了涌现的流体动力学行为，具体表现为由相互作用驱动的椭圆流。通过使用椭圆形势阱中的超冷原子，作者观察到膨胀过程中的动量各向异性和纵横比反转——这些是流体动力学的特征——尽管缺乏尺度分离，这挑战了中等尺度量子体系中传统流体动力学判据。

ABSTRACT

Hydrodynamics provides a successful framework to effectively describe the dynamics of complex many-body systems ranging from subnuclear to cosmological scales by introducing macroscopic quantities such as particle densities and fluid velocities. According to textbook knowledge, it requires coarse graining over microscopic constituents to define a macroscopic fluid cell, which is large compared to the interparticle spacing and the mean free path. In addition, the entire system must consist of many such fluid cells. In high energy heavy ion collisions, hydrodynamic behaviour is inferred from the observation of elliptic flow. Here, we demonstrate the emergence of elliptic flow in a system of few strongly interacting atoms. In our system a hydrodynamic description is a priori not applicable, as all relevant length scales, i.e. the system size, the inter-particle spacing, and the mean free path are comparable. The single particle resolution, deterministic control over particle number and interaction strength in our experiment allow us to explore the boundaries between a microscopic description and a hydrodynamic framework in unprecedented detail.

研究动机与目标

• 研究在传统流体动力学判据（尺度分离）不适用的少体量子体系中，流体动力学行为的涌现。
• 在可调相互作用强度的受控少体体系中，探索从非相互作用到强相互作用的转变。
• 检验如椭圆流等流体动力学现象是否可在体系尺寸、粒子间距和平均自由程相当的系统中出现。
• 在量子简并费米体系中，建立微观少体动力学与宏观流体动力学描述之间的桥梁。
• 通过将多体状态方程和托马斯-费米分布与实验数据对比，验证在中等尺度区域的流体动力学模拟。

提出的方法

• 在椭圆形光学势阱中制备5个自旋向上和5个自旋向下的超冷费米原子，使其处于强相互作用状态。
• 通过飞行时间成像实现单粒子分辨，测量在不同膨胀时间后的实空间密度和动量空间分布。
• 利用Feshbach共振调节相互作用强度，以控制状态方程并探测从非相互作用到流体动力学区域的转变。
• 使用多体状态方程（EOS）和托马斯-费米分布进行流体动力学模拟，以预测动量各向异性和纵横比的演化。
• 通过随时间演化的均方根位置和动量比较实验数据与理想流体动力学预测。
• 利用动量空间压力张量和流体动力学方程（例如，式10和式11）分析动量重分布和各向异性建立过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无尺度分离的少费米子体系中，如椭圆流等流体动力学行为是否可以涌现？
• RQ2 相互作用强度如何影响仅含十个原子的体系中集体动量各向异性的出现？
• RQ3 基于状态方程的流体动力学预测在中等尺度、少体体系中与实验观测的符合程度如何？
• RQ4 有限尺寸修正和非平衡效应在多大程度上导致系统偏离理想流体动力学行为？
• RQ5 动量各向异性建立的时间尺度是否与流体动力学预期一致（τ ≈ R/cs）？

主要发现

• 在仅十个强相互作用费米子的体系中，椭圆流得以涌现，表现为实空间初始纵横比的反转以及动量各向异性的形成。
• 动量各向异性的产生源于多体相互作用，而非初始动量分布——这使其与单体动力学相区别。
• 基于多体状态方程（EOS）的流体动力学模拟能定量再现实验中均方根位置和动量的演化，验证了流体动力学描述的有效性。
• 各向异性建立的时间尺度（τ ≈ 0.1 ms）与流体动力学预测τ ≈ R/cs一致，其中R ~ 1 μm，cs ~ 10 μm/ms。
• 初始密度分布偏离托马斯-费米预测，表明在少体区域存在显著的有限尺寸修正。
• 即使所有相关长度尺度（体系尺寸、粒子间距、平均自由程）相当，该体系仍表现出流体动力学行为，挑战了传统对大尺度体系的要求。